Упрочнение при закалке
Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит, упрочнение, повышение твердости. Именно благодаря упрочнению и была открыта в древности, а затем широко использована закалка сталей.
Природа сильного упрочнения при закалке сталей представляла загадку на протяжении многих веков. Сейчас кажутся необычайно наивными как средневековые представления о сверхъестественных силах, вызывающих упрочнение при погружении раскаленного клинка в шипящую воду, так и попытки даже на рубеже XX столетия связать высокую твердость закаленной стали с переходом ее углерода в алмаз.
В познании механизма упрочнения при закалке решающую роль сыграли выяснение природы самого мартенситного превращения и изучение структуры мартенсита. В общих чертах механизм упрочнения при закалке на мартенсит теперь вполне понятен, но многие важные его детали еще требуют выяснения.
Попытки объяснить большую твердость закаленной стали какой-либо одной причиной не нашли экспериментального подтверждения. Можно уверенно утверждать, что упрочнение при закалке стали на мартенсит является результатом действия нескольких механизмов торможения дислокаций.
Важнейшая роль во всех теориях упрочнения при закалке сталей справедливо отводится углероду. Однако необходимо иметь в виду, что мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств в 3 — 4 раза по сравнению с отожженным состоянием. Так, по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа в результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 HV, а предел прочности — с 20 до 90 кгс/мм2. У отожженного сплава железа с 8% Cr и 0,45% Ni предел текучести равен 22 кгс/мм2, а у закаленного с 1000 °С он составляет 80 кгс/мм2.
Мартенсит в отличие от фазы того же химического состава, но образовавшейся при медленном охлаждении вследствие неупорядоченной перестройки решетки, характеризуется повышенной плотностью дефектов: двойниковых прослоек и дислокаций (смотрите Микроструктура и субструктура сплавов, закаленных на мартенсит). Плотность дислокаций в мартенсите доходит до 10—10 — 10—12 см—2, т. е. по порядку величины такая же, как и в холодно-деформированном металле.
Границы двойников и сплетения дислокаций служат барьером для скользящих дислокаций, т. е. упрочняют мартенсит. Фазовый наклеп, возникающий при мартенситном превращении, в той или иной степени вносит вклад в упрочнение всех металлов и сплавов, закаливаемых на мартенсит.
Рассмотрим роль углерода в упрочнении мартенсита сталей. При закалке сталей получается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода в аустените.
Влияние содержания углерода в стали на закаливаемость
Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена при закалке дайной марки стали на поверхности изделия.
При бездиффузионном превращении аустенита образуется пересыщенный раствор углерода в α-железе и тем сильнее пересыщенный, чем больше углерода содержит аустенит. Интересно, что с ростом содержания углерода в мартенсите межатомные силы не только не усиливаются, а, наоборот, даже несколько ослабевают. Это обусловлено увеличением расстояний между атомами железа под действием внедренных атомов углерода.
В феррите при комнатной температуре среднеквадратичное отклонение атомов при тепловых колебаниях равно 0,115 ̊А, а в закаленной стали с 0,35 и 1% С соответственно 0,126 и 0,136 ̊А.
Увеличение средних тепловых смещений атомов говорит об ослаблении межатомных связей. Несмотря на это, углерод повышает твердость мартенсита. Объясняется это прежде всего тем, что атомы углерода, внедренные в решетку α-железа, затрудняют скольжение дислокаций в мартенсите (так называемый твердорастворный механизм упрочнения).
Другие механизмы упрочняющего влияния углерода связаны с взаимодействием его атомов с дефектами решетки. В период закалки или при вылеживании стали после закалки атомы углерода в кристаллах мартенсита образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. На железоникелевых сплавах, содержащих углерод, измерениями внутреннего трения, тепловыделения, твердости и предела текучести было показано, что диффузионные процессы закрепления дислокаций атомами углерода и соответствующее упрочнение происходят не только при комнатной температуре, но даже при более низких температурах (вплоть до — 60 °С).
Диффузионное перераспределение углерода в период закалочного охлаждения или после закалки может дойти до стадии выделения из мартенсита дисперсных частиц карбида, вносящих свой вклад в упрочнение стали.
В сталях с высокой точкой Мн, например в углеродистых, содержащих менее 0,5%С (Мн > 300 °С, смотрите рисунок Зависимость температур), в период закалочного охлаждения в мартенситном интервале создаются наиболее благоприятные условия для частичного распада мартенсита с выделением дисперсных частиц карбидов, т. е. самоотпуска (смотрите Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска). Кроме того, в любых сталях углерод при обычных скоростях закалки успевает образовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита в период охлаждения стали выше точки Мн.
Сегрегации углерода в аустените наследуются мартенситом, а поскольку он и так пересыщен углеродом, то эти сегрегации становятся местами зарождения частиц карбида. Как отмечалось в Термодинамике мартенситных превращений, повышение точки Мн при ускорении закалочного охлаждения (смотрите рисунок Зависимость температуры) вызвано тем, что атомы углерода не успевают образовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита. С этим согласуется то, что при очень больших скоростях охлаждения твердость кристаллов мартенсита оказывается почти в полтора раза ниже, чем после обычной закалки.
Из-за действия указанных выше механизмов упрочнения углерод оказывает столь сильное упрочняющее влияние на мартенсит, что твердость закаленной стали практически не зависит от содержания легирующих элементов, растворенных в мартенсите по способу замещения, а определяется только концентрацией углерода.
Суммируя, можно заключить, что сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом α-раствора, появлением большого числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокации при мартенситном превращении, образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода и выделением из α-раствора дисперсных частиц карбида. Вклад каждого из этих факторов в общее упрочнение при закалке окончательно не установлен.
Начинающие изучать термическую обработку часто рассматривают сильное упрочнение при закалке сталей как явление, исключительное по своему эффекту, по приросту твердости. Обратимся к фактам. Твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии составляет 180 НВ, а в закаленном 650 НВ. Следовательно, закалка повышает ее твердость в 3,5 раза.
Упрочнение металлов и сплавов достигают также другими путями. При холодной пластической деформации твердость легко увеличить вдвое и даже втрое (смотрите Наклеп). Увеличивая концентрацию твердого раствора при легировании металла, особенно раствора внедрения, можно повысить твердость в несколько раз. Например, твердость раствора титана с 0,7% О в три раза больше твердости чистого титана (атомы кислорода внедрены в решетку α-титана).
Сильное упрочнение достигается при дисперсионном твердении стареющих сплавов. Например, старение бериллиевой бронзы при 350 °С приводит к увеличению твердости в четыре раза (!) по сравнению с закаленным состоянием. При сопоставлении с приведенными примерами эффект упрочнения при закалке сталей не выглядит чем-то выдающимся, особенно если учесть одновременное действие нескольких механизмов упрочнения.
В сплавах других систем (не на основе железа) упрочнение при закалке на мартенсит может быть вызвано действием тех же механизмов, что и при закалке сталей и безуглеродистых железных сплавов. Наиболее общим является механизм фазового наклепа, свойственного всем мартенситным превращениям в металлах и сплавах и состоящего в увеличении плотности дефектов кристаллической решетки.
Во многих сплавах, закаливаемых на мартенсит, упрочнение происходит в результате образования пересыщенного твердого раствора. Этот фактор не может действовать в тех сплавах, в которых мартенсит является ненасыщенным раствором (смотрите Термодинамика мартенситных превращений). В отдельных сплавах, например алюминиевых бронзах, в упрочнении мартенсита велика роль процесса упорядочения.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков